聚合物发泡材料工艺路线全览(附国内外主要研究团队及公司介绍)

作者:67体育直播  来源:  时间:2021-11-25 06:41  点击:

  随着社会的发展和进步,各行各业对塑料性能的要求也越来越高,人们越来越青睐于环保、安全、质轻、性价比高的材料。是一种以树脂为基体,在材料内部有大量气泡,可以看作以气体为填充材料的固/气复合材料。发泡材料质量轻,比强度高且具备缓冲、吸声、保温等功能,在建筑、汽车、包装、航空航天和家电等领域应用广泛。

  聚合物发泡材料品种众多。对于塑料,大多数热塑性塑料&热固型塑料都能加工成泡沫塑料。典型的发泡材料有聚氨酯(PU)泡沫、聚苯乙烯(PS)泡沫、聚烯烃(PP、PE)泡沫、聚氯乙烯(PVC)泡沫、酚醛泡沫、环氧化物树脂泡沫等热塑性和热固性泡沫塑料,丁腈橡胶泡沫、热塑性弹性体泡沫及发泡淀粉、发泡植物纤维等天然高分子泡沫材料,以及高性能泡沫如聚异氰脲酸脂(PIR)泡沫、聚酰亚胺(PI)泡沫、有机硅泡沫等在军事、航空航天等领域发挥着重要作用。

  热塑性发泡材料的发泡过程是一个较为复杂的热力学和动力学过程,根据不同的发泡工艺,又可以将发泡过程分为挤出发泡、模压发泡、釜压发泡、注塑发泡等,而无论哪种工艺,发泡材料的基本过程一般可以分为四个步骤,如下图:

  (1)发泡剂溶解在聚合物基体中,形成聚合物/发泡剂气体的均相体系。在一定的温度和压力下,发泡剂气体分子渗透到聚合物基体中,最后达到溶解平衡,形成气相/聚合物的均相体系。

  (2)热力学失衡造成的气泡成核过程。在热力学不稳定状态下(压力骤降或温度骤升),使聚合物/气相饱和体系迅速成为过饱和体系,溶解在聚合物熔体中的气体在聚合物熔体中集中,并逐渐形成原始微小的气泡,即气泡在聚合物基体中成核,形成“泡核”。

  (3)原始泡孔核的生长。“泡核”形成后,溶解在聚合物基体中的气体分子开始逐渐向“泡核”扩散,使泡孔生长,体系内的自由能持续降低。在气泡生长阶段,相分离开始,气相也已经形成,气泡的膨胀受到聚合物基体的粘弹性、泡孔生长的时间、体系温度、发泡剂的扩散速率等因素的影响。此外,发泡的工艺参数、设备的结构参数等都对气泡的生长也都有强烈的影响。

  (4)泡孔的稳定和固化定型。泡孔在生长的过程中,大部分气体扩散到气泡中或者逃逸出,泡孔生长的驱动力降低,气泡也逐渐不再生长,泡孔趋于稳定,聚合物基体的刚性逐渐提高,泡孔结构最终固化定型。这阶段主要受冷却速率和冷却时机的影响。

  热塑性塑料发泡材料的成型工艺主要有模压成型、可发性珠粒模塑成型、连续挤出发泡成型以及注塑发泡成型等几类。

  模压成型属于较早的发泡工艺类型,所以对模压发泡并没有规范的缩写命名。直到近年来聚丙烯模压发泡材料涌现出来后,被冠以“M”,定义为“MPP”。

  模压发泡法由于在加压下控制了发泡剂的分解速度,同时也增加了熔融树脂中的气体溶解度,压力下也容易控制交联度,从而能得到高发泡且又均匀微细气泡的PP泡沫塑料。

  第二类发泡工艺称为可发性珠粒模塑成型工艺,即在高压釜中,在一定时间内,通过高压将物理发泡剂在预定温度下浸渍进入基体树脂的细小粒料之中,然后冷却体系温度至室温,即得到可发性珠粒。使用时,先在一定的发泡温度下,利用水蒸气或热空气使可发性珠粒预发泡一下,得到绿豆大小预发泡的可发性珠粒。在制备制品时,将预发泡的可发性珠粒放入模具中加热、减压,使预发泡的可发性塑料珠粒进一步膨胀并相融合,形成预定形状的发泡材料,即称为可发性珠粒模塑成型,通常在基材缩写名称前冠以“E”字。例如最早、且最常见的PS 可发性珠粒发泡材料即称为“EPS”;近年来发展起来的PP 可发性珠粒即称为“EPP”。由于都是采用物理发泡剂,因而发泡倍率较大。

  第三类发泡工艺称为挤出发泡,即塑料与物理或化学发泡剂分别加入挤出机的不同位置,高压下在挤出机中熔融形成均匀的溶液,然后在口模处突然泄压、发泡、冷却,制成板材、片材甚至管材等。这类发泡材料通常在基材缩写名称前冠以“X”字母。例如较常见的挤出发泡的PS 即称为“XPS”;挤出发泡的低密度聚乙烯(LDPE)即称为“XPE”;不太多见的挤出发泡PP 即称为“XPP”。

  在挤出发泡过程中,发泡剂在高压状况下必须与塑料形成均匀的溶液,并在口模处瞬间泄压、发泡、冷却、形成发泡材料,不可能借助固相或者结晶的约束力,故而对塑料的熔体强度要求很高,特别需要熔体在拉伸过程中具有较强的应变硬化的性能,因此发泡难度较大。

  注塑发泡材料是相对发展比较晚的一种发泡材料,主要因为传统注塑工艺与发泡必备条件之间存在矛盾,不妨将该发泡材料前冠以“J”字表示。当今的注塑发泡材料仅限于发泡倍率很低的制品,甚至于发泡并非是主要目的,而仅仅为了减小注塑制品的收缩率与变形,特别是在托盘,支架等大型制品的注塑中。

  其中Mucell微孔发泡注塑成型技术被认为是第一种适合市场推广的微孔发泡注塑成型技术,已经实现了良好的商业化。

  Chul B. Park博士毕业于美国麻省理工学院,加拿大科学院及工程院两院院士,韩国科学院外籍院士, AAAS, SPE,ASME, EIC及CSME等专业领域的Fellow。多伦多大学机械与工业工程系教授,为加拿大先进聚合物加工技术及微孔塑料制造技术及应用领域首席科学家。他是多伦多大学微孔塑料制造实验室的创始人,该实验室因研究各种先进发泡技术在世界上享有盛誉,与Dow,GE,Dupont, Nike, Owens-corning, Sealed-Air, Furukawa, LG, Samsung, Kolon, Basell, Borealis, Honam, Trexel等几十家国际著名公司保持长久合作关系,他是超临界流体-聚合物发泡及加工技术的创始人及MUCELL技术的主要发明人。Park教授先后在加拿大主持多项国家级科研项目以及国际合作项目,发表论著论文及专利等逾700篇,迄今已指导逾百名博士、硕士研究生及博士后。是《泡沫塑料期刊》(Journal of Cellular Plastics)的主编,也是《泡沫聚合物》(Cellular Polymers)和《聚合物技术进展》(Advances in Polymer Technology)的顾问编委之一。他还是聚合物加工协会(PPS)泡沫论坛的组织主席,国际泡沫加工技术研讨会和《泡沫指南》的技术主持人,意大利生物泡沫的合作主席,和塑料工程师协会《热塑性塑料和泡沫》(Thermoplastics and Foams Division of SPE)的召集人等。

  郑文革博士,中国科学院宁波材料技术与工程研究所研究员,博士生导师,中国科学院“百人计划”入选者,高分子与复合材料事业部主任,兼任浙江省塑料工程学会副理事长及中国塑料加工工业协会工程塑料专业委员会副理事长。

  1993年在中国科学院化学研究所获博士学位。先后在香港科技大学、清华大学、日本原子力研究所、新加坡南洋理工大学、加拿大多伦多大学等地的高分子材料领域著名的研究机构从事科研工作。作为项目负责分别承担国家发改委高技术产业化项目、国家863高技术项目、国家科技支撑计划项目、国家自然科学基金面上项目、中国科学院“百人计划”执行项目、中国科学院—广东省战略合作项目及多项企业合作项目的研究。申请中国专利25项(其中发明专利23项, 实用新型专利2项),其中12项已获授权, 2项发明专利分别转移至企业实现产业化。研究方向与专长包括聚合物基纳米复合材料、聚合物发泡材料、新型聚合物加工技术及聚合物材料的加工-结构-性能间的关系等。在国内外相关学术刊物等发表论文100余篇。

  2011年,其团队中翟文涛研究员负责开展了TPU超临界流体微发泡的研究,2015年1月,研究团队成功设计搭建了300吨/年的产业化中试示范装备,实现了30吨/月的生产能力,相关技术已经获得PCT专利1项,中国发明专利授权4项,公开专利3项,着手申请美国和欧洲专利各1项,初步形成了完整的自主知识产权。目前,中科院宁波所/国盛新材料是全球第二家拥有ETPU发泡材料规模化生产技术的单位。

  何亚东教授,北京化工大学机电工程学院副院长、教授、博导,中国塑料机械行业专家委员会秘书长。主要研究领域是聚合物加工、成型方法及装备的研究;先进聚合物成型工艺及技术的研究开发等。在长玻纤增强热塑性树脂技术(LFRT)的关键设备---模头设计;聚合物/超临界流体发泡成型技术及装备开发;聚丙烯发泡珠粒及发泡制品成型技术;微孔发泡成型技术等研究课题方面有多年的经验和技术积累。作为项目负责人完成国家十一五科技支撑计划2项,负责北京市科技新星计划,北京市自然科学基金,财政部专项,军工等项目以及横向企业合作项目二十余项。作为主要研究人员参加的科研项目通过省部级鉴定3项,获得省部级科技进步一等奖和三等奖各1项。

  赵玲博士,英国伯明翰大学化工系博士后,现任华东理工大学化工学院院长、联合化学反应工程研究所所长、徐汇区人大代表、上海市化学化工学会第八届理事、化学工程专业委员会常务副主任。从事研究反应过程的工程特性和工程动力学;反应特性与反应器的流动、混合和传递特性在不同尺度上的匹配;超临界流体协助的聚合物加工:以聚合物CO2发泡、聚合物改性等为对象,开展超临界流体与聚合物相互作用、超临界流体中聚合物的结构调控及相关材料的性能-结构-制备关系研究。1999年获得华东理工大学化学工程专业博士学位。2002年11月-2003年2月获英国皇家学会KC Wong Fellowship 到University of Birmingham化工系做博士后。2008年和2009年先后入选上海“曙光学者”和教育部“新世纪优秀人才支持计划”。2016年,华东理工大学作为牵头单位、化工学院赵玲教授负责的“聚合物材料的轻量化技术”项目,总经费为8600万元,其中中央财政经费3100万元。

  Volker Altstadt教授目前任职于德国拜罗伊特大学(University of Bayreuth)高分子材料系,是TuTech公司的首席执行官,并担任该公司在汉堡研究中心的首席技术负责人。Volker Altstadt教授2012年入选为National Academy of Science and Engineering院士。他的主要研究方向是泡沫聚合物,高分子复合材料及纳米复合材料,高分子聚合物共混和增容,以及高分子材料的疲劳特性。

  Lih-Sheng Turng教授是美国著名学府威斯康辛大学麦迪逊分校终身教授,聚合物工程中心共同主任,Wisconsin Institute for Discovery的 Bionates研究团队首席专家。Lih-Sheng Turng教授长期从事注塑成型与微孔注塑领域研究,并逐渐延伸至纳米复合材料、生物材料、组织工程材料等领域,主持或参与了包括美国科学基金会(NSF)在内的近40项研究项目。Lih-Sheng Turng教授在材料化学工程领域取得了很大的成就,为微孔注塑、纳米复合和生物基材料成型加工、计算机辅助工程、气体辅助注塑和基于网络的知识管理系统等方面做出了很大贡献。Turng目前担任多个国际重要期刊编委,是ASME、PPS、SPE ANTEC等国际学术会议的组织者之一,已发表学术论文超过200篇,出版了《Polymer Processing》等多部著作。

  陶氏(NYSE: DOW)通过材料、聚合物、化学和生物科学,来推动创新和创造价值,全力解决当今世界的诸多重大挑战。陶氏以其一体化、市场驱动型的业务组合,为全球175个国家和地区的客户提供种类繁多的高科技产品和解决方案,应用于包装、基础设施、交通、消费者护理、电子、农业等高速发展的市场。陶氏的微发泡项目将与巴西的Valfilm、阿根廷的Petropack、墨西哥的Folmex、哥伦比亚和危地马拉的Plastilene以及挤出设备供应商、陶氏独家合作伙伴微发泡挤出公司(MuCell Extrusion LLC)合作。该项目借助新的生产方式,减少温室气体的排放量,让薄膜挤出更高效、更优质。除了减少奥运会在组织和交付过程中产生的50万吨二氧化碳排放量,陶氏和里约2016奥运会还将通力合作,减少与奥运会相关的其他碳排放,预计到2026年,将再减少150万二氧化碳排放量。

  杰斯比塑料(无锡)有限公司株式会社JSP,最初于1962年在*从事PSP(聚苯乙烯纸)事业,后来开发出领先世界的无架桥发泡聚乙烯膜和发泡聚丙烯粒子,开始量化生产,随着业务的持续扩大,后来又发展了住宅隔热用的聚乙烯挤出板事业以及发泡聚丙烯粒子事业。P-Blcok®和ARPRO®是JSP公司在1982年于全球首次开发成功的发泡聚丙烯产品,包括发泡聚丙烯粒子(EPP)以及EPP粒子通过模具成型后的成型品,于全球展开销售。作为P-Blcok®以及ARPRO®的中国生产据点,2002年7月在江苏省无锡市设立了杰斯比塑料(无锡)有限公司,由株式会社JSP和伊藤忠商事共同投资成立,占地面积24,000平方米。2003年7月开始生产以后,进行了厂房扩建和设备投资,顺利提升了工厂的生产能力。主要生产黑色聚丙烯发泡粒子ARPRO®、白色P-Block以及具有带电防止功能的粉色P-Block®。2004年2月,作为P-Blcok®以及ARPRO®的中国销售据点,在上海外高桥保税区设立了杰斯比塑料(上海)有限公司。2006年12月,作为中国的第二生产据点,在广东省东莞市设立了杰斯比塑料(东莞)有限公司,2008年开始正式生产。

  巴斯夫是世界第一位化工企业。主要生产各类化工品,包括增塑剂,塑料,农药,涂料等。在聚合物发泡材料方面,巴斯夫生产的助剂、发泡剂、树脂原料及发泡产品,涵盖了发泡材料各个方面,其中具有代表性的有发泡聚苯乙烯、发泡热塑性聚氨酯及发泡聚丙烯,其技术都属于行业领先水平。Styropor®发泡聚苯乙烯发明于1951年,直到今天仍是极为经典的经济型建筑保温原材料及最轻盈的包装材料。InfinergyTM是全球首款发泡热塑性聚氨酯(E-TPU),其优越的性能包括低密度、轻质、高弹性、优异的回弹性、高耐磨性、高拉伸强度、良好的耐化学性、较宽温度范围内具有良好的长期耐久性。InfinergyTM一直被用于运动休闲业、汽车、建筑、工程机械、物流业,最近被用于新款阿迪达斯BoostTM跑鞋的中底,以吸收慢跑时脚部承受的冲击,并将能量即刻回传给跑步者。Neopolen® P (EPP) 发泡聚丙烯兼具重量轻和高度吸收能量的特点,甚至在多重冲击荷载后都不会出现大的改变。正因为如此,发泡聚丙烯材料早前已经应用于标准汽车的安全关键性零部件中,比如驾驶杆填料、防撞垫、头靠和护膝垫。此外,Neopolen P具备各向同性变形性能,在赛车运动中这是一个重要因素,可耐受化学品和汽油。

  杜邦公司是一家以科研为基础的全球性企业,也是最早进行聚烯烃发泡材料工业化生产的企业之一。聚乙烯发泡的专利最早于1941年由DuPont公司提出,1958年开始生产低发泡倍率泡沫塑料。2014年,杜邦公司宣布,其基于氢氟烯烃(HFO)技术的新型环保发泡剂解决方案取得显著进展,命名为Formacel™1100的发泡剂将突破性地降低发泡剂全球变暖潜能值(GWP),同时还能提高能源效率,可满足聚氨酯泡沫塑料客户对高能效和低全球变暖潜能值(GWP)解决方案的长期需求。基于HFO-1336mzz的Formacel™1100发泡剂除了具有极低的全球变暖潜能值和零臭氧消耗潜值,有助于全球硬质聚氨酯泡沫保温材料对环境的影响外,还具有卓越的隔热性能,可降低能耗,从而进一步减少温室气体的排放。

  无锡会通轻质材料股份有限公司成立于2009年9月,是中国首家专业从事高性能聚合物发泡研发、生产和销售的国家级高新技术企业,也是全球研发、生产EPP新材的六家企业之一,产品应用于汽车内外饰、液晶电子包装、运输包装、民用、军用等领域。以无锡为中心,三年内在华东、华南、西南等地完成产业布局,形成全国四大生产基地,具备年产25000吨发泡聚丙烯珠粒(EPP)和5000吨发泡聚烯(EPE)的生产能力。会通轻质新材广阔应用在食品包装、热绝缘、汽车领域、建筑领域、体育休闲、工业应用等多领域。近几年,年销售量从1万吨迅速增长至4万吨,几乎实现年均增长翻倍。2017年,会通轻质新材由于技术带来的高附加值以及产品差异化,开始应用于航天、高铁、军工等高端装备,带来了高增长,及高利润率。因行业领先性,会通具备锁定优质客户的能力,除了汽车行业的客户之外,会通的客户网络涉及:电子、包装、家电、航空、军用等领域,其中多数为行业前十的客户。

  希悦尔(Sealed Air)公司成立于1960年,是一家专业生产创新的视频包装、缓冲包装、展示型包装盒特种包装材料及设备的公司,产品覆盖率高达全球80%的国家和地区。其发明的Bubble wrap 气泡衬垫材料,代替了传统的包装材料。希悦尔公司自1969年率先将聚氨酯发泡技术应用于缓冲包装领域并研制出第一代发泡包装设备以来,一直致力于设备的更新发展和包装泡沫的开发应用及环保包装的研究。因时发® 现场发泡包装根据不同的需求已经发展多个系列产品,因其快速、灵活、多用途、低成本的特性和希悦尔完善的培训及售后服务机制,再加上希悦尔公司经由ISTA(国际安全运输协会)认证实验室的技术支持,因时发®现场发泡包装已成为全世界范围内工业包装领域广泛应用和深受好评的包装方式。

  美国欧文斯科宁公司成立于1938年,是全美500强企业。欧文斯科宁公司是一家建筑材料和玻璃纤维复合材料的跨国公司,全球销售额逾50亿美元,位列美国财富500强。2008年,其发明的新型发泡剂技术使北美洲所有泡沫绝热材料产品在制造中能减少70%以上温室气体排放,实现零臭氧消耗。PINK Foamular 和PROPINK硬质泡沫绝热材料具有优质绝热板制作的蒙皮,坚韧耐用,防损伤,耐潮湿,能提供每英寸R5的绝热值,适用于屋顶、地面、冷库、外墙、内墙等保温体系。

  科思创聚合物有限公司(前身为拜耳材料科技),1937年发明聚氨酯,这一特殊的化工产品如今遍布世界的各个角落,从鞋材再到足球,以及冰箱用的保温材料。然而,早已在全球实现大规模量产的聚氨酯产品,国内外都有一大批的著名生产商,如烟台万华、科思创及巴斯夫、陶氏化学等。因此,如果科思创只是停留在原有的技术积累上,那么即便是这一重要化学品的发明者,也会遭受很大的市场冲击。科思创的拳头产品“冰箱保温材料”,经多次研发,该公司已发明了一种微孔发泡保温技术,可让聚氨酯泡沫更加细腻与均匀,从而拥有导热系数低、保温隔热性更好、占用体积少等特点。由于这类产品还能实现自动化生产,又有稳定的密封质量,因此材料使用起来也更便捷、浪费程度更低,冰箱生产商也提高了不少工作效率。与下游家电企业的密切合作中,科思创中国研发团队成功将聚氨酯微孔发泡材料运用于冰箱保温。Microcell微孔发泡的泡沫孔径比普通聚氨酯减少了40%,运用在冰箱或冷藏设备中,其保温隔热性较普通聚氨酯材料提高5%。同时,微孔发泡在保证相同的保温系数的情况下,比传统保温泡沫做到更少使用量,可以增加冰箱内部空间。

  浙江新恒泰新材料有限公司,是一家多年来规模化开发、研制EVA发泡材料的大型专业制造企业。公司座落于(浙江省级)嘉兴工业园区,比邻上海、杭州等地,占地面积121亩,建有标准厂房82000余平方米,注册资金3800万元,总资产达二亿元。新恒泰企业一贯坚持科学发展观,将主体产业的发展置于主导经济地位,始终注重高端科技人才的引进和技术人员的培养,拥有专业的科研团队和大规模的先进生产设备。多年来,致力于EVA和各种高分子发泡产品的研发、制造,年产量达三十万立方米以上,产品处于行业领先地位。特别是近年来自主研发的系列产品,广泛应用于教育、科技、体育、电子、民用等社会各领域,在国内市场、尤其是华东地区享有盛誉,部分产品远销欧美市场并深受欢迎。

  瑞巨塑料工业股份有限公司,创立于1998年6月,是一家以塑料隔热押出机设计、生产、制造为主业的专业机械厂。

  有鉴于食品容器市场所使用的材质,仍有很大的改善与取代空间,于是着手「抛弃式食品容器」新材质的开发。成功开发后在2008年3月创设瑞巨公司,将生产事业与机械本业切割成独立的事业体。直到2011年起开始把研发成果转化成可商品化之发泡PP隔热食品容器,只为了营销台湾、出货到全球,瑞巨公司今后将以技术研发为后盾,继续秉持正派经营,为消费者提供安全、便利又环保的食品容器。

  卓细(深圳)科技有限公司是MuCell微发泡注塑技术的全球领导者与设备供应商,是相关专利组合的全球唯一合法持有者,也是世界绿色成型协会会员。因为专一所以专业,卓细(深圳)科技有限公司主要致力于亚洲市场的微发泡注塑技术的开发与应用,已得到众多世界著名企业的认可。卓细(深圳)科技有限公司供应成熟、稳定、可控的SCF超临界流体微发泡系统与特制注射单元,已经与Engel、KM、米拉克龙、JSW、海天等国内外著名注塑机软硬件系统集成一体化。

  以上介绍的部分专家老师将出席2017年11月1-2日在上海举办的2017聚合物发泡会议。

  2016年全球中、低密度泡沫市场突破1000亿美元,增长速度惊人,预计2021年将突破1600亿美元,泡沫材料是令人惊异的产品平台。这次会议为继续学习,交流和发展提供了一个很好的机会。

  创新、技术和应用是支持泡沫材料全球化的关键因素。21世纪,泡沫材料已经从包装、浮材演化成为能够满足各种性能要求并且环境友好的材料。目前,泡沫材料具有的高比表面积成为另一个有效功能的基础。此外,发泡3D技术无疑可以增加其交货能力。泡沫材料在应用和创新方面的潜能简直不可思议。

  全球泡沫专家会议作为一个平台,通过演讲报告、成品展示和交流的形式来建立和加强合作网络。全球泡沫专家会议承诺进一步全球化,预期全球创新,提出新的见解。

  赞助单位:本次会议提供赞助机会,作为赞助单位能够在国际上促进和提高贵公司产品、服务和品牌的知名度。请联系Foam update以获取更多信息,联系方式:1-(US) 张丹手机:邮箱:(国内)

  主题:氧化石墨烯-SiO2杂化纳米材料改性的酚醛树酯基碳泡沫的结构、力学性能和电磁屏蔽

  主题:多壁碳纳米管和石墨烯纳米填料的协同作用对纳米复合泡沫材料的导电性的影响

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